大型有軌鍛造操作機行走機構設計

衛(wèi)凌云，張營杰，牛 勇，馮東曉，杜學斌

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710032）

0 前言

為適應大型自由鍛造壓機快速發(fā)展的需要，與之配套的鍛造操作機出現(xiàn)了重載大噸位、高精度、自動化的發(fā)展趨勢，因此，必須設計新的結構形式、采用先進的控制方式以實現(xiàn)設備高性能可靠運行。

大型有軌鍛造操作機具有大車行走、鉗口夾持、鉗頭回轉、鉗桿升降傾斜及垂直、水平緩沖等功能。行走功能是其關鍵功能之一，其結構優(yōu)劣決定著設備運行的穩(wěn)定性和控制的精確性，其性能直接影響著鍛造生產效率和鍛件質量。

1 行走機構的結構及特點

行走機構主要由車體、驅動裝置、行走輪組、行走軌道及行程控制系統(tǒng)等組成，其結構如圖1 所示。車體采用焊接組合結構。左右兩側墻板與連接體為焊接結構，帶連接體的左右墻板通過鍵和螺栓與中間連接機構組成車體框架。

圖1 行走機構結構圖

一般采用液壓馬達做動力源的液壓驅動裝置，并根據(jù)操作機運動質量要求設計不同數(shù)量的驅動輪組。驅動裝置安裝在車體底部，按照設計要求左右成組對稱安裝。驅動輪為銷齒輪，與銷軸齒條嚙合帶動大車行走，克服了普通鏈條因連接容易松動、啟停時晃動等引起的運動不平穩(wěn)、控制精度低等缺陷。銷齒輪上安裝有光電編碼器對齒輪運動進行實時檢測，為行走精度控制提供依據(jù)。

大車車輪在軌道上行走，對運動車體起支撐作用，并不對設備提供驅動力。帶有凸緣設計的車輪與軌道配合，保證了操作機車體運行中與壓機的對中性。

該行走機構具有如下特點：采用了液壓馬達驅動方式，不需要增加額外的變速器，只需液壓控制系統(tǒng)調節(jié)輸入液壓馬達的流量即可改變其行走速度，實現(xiàn)無級變速；車體行走驅動裝置采用銷齒輪與齒條嚙合，可實現(xiàn)無齒隙傳動，減小了沖擊，運行平穩(wěn)且控制精度高；在軌道上行走車輪的帶凸緣設計，確保操作機車體運行中與壓機的對中性，實現(xiàn)快速平穩(wěn)運行。

2 行走機構的設計

2.1 總驅動力的計算

操作機及鍛件的綜合質量是計算驅動力的主要參數(shù)，結合設計運動加速度計算出驅動力。

計算時首先根據(jù)接觸應力確定支撐輪的直徑與數(shù)量，以此為基礎，確定銷齒輪的節(jié)圓直徑，計算出驅動力矩，進而確定驅動輪組的數(shù)量和能力，并進行輪組轉速和馬達輸出轉速的校核。

操作機開始運動過程中車輪的受力主要有：操作機及鍛件的綜合質量引起的車輪支撐力和車輪與軌道的摩擦力、產生加速度所需要的驅動力。圖2 為行走輪在運行時的受力分析簡圖。

以下計算行走輪系在開始運行時所需要的總驅動力：

圖2 行走輪受力分析簡圖

式中：F驅——行走輪運行時所需要的驅動力，N；

f——行走輪運行時的摩擦力，N。f=Gμ；

m——操作機及鍛件的綜合質量，kg；

a——操作機行走時的加速度，a 取1.5～2m/s2；

G——操作機及鍛件的綜合重力，N；

μ——行走輪與軌道之間的摩擦系數(shù)，滾動摩擦系數(shù)μ 取0.001。

2.2 總驅動力矩的計算

驅動力矩是馬達選型的依據(jù)，根據(jù)驅動輪的數(shù)量確定馬達的扭矩。

式中：M驅——總驅動力矩，Nm；

R輪——行走輪半徑，m；

K——計算系數(shù)，K 取1.2。

2.3 每個馬達的驅動扭矩

式中：M馬達——每個馬達的驅動扭矩，Nm；

n——驅動輪數(shù)量。

2.4 銷齒傳動的幾何計算

2.4.1 銷齒直徑的確定

式中：dp——銷齒直徑，mm；

[σH]——材料許用接觸應力，kg/cm2；

If——每個驅動輪所要傳達的扭矩，Nm；

ψ——齒輪寬度系數(shù)。

2.4.2 銷齒齒距的確定

在設計時一般取dp/P=0.4～0.5，可以計算出銷齒齒距：

2.4.3 確定齒輪節(jié)圓直徑、齒輪齒數(shù)

根據(jù)操作機最大行走速度及最快工作轉速可以計算齒輪節(jié)圓直徑：

式中：d輪——齒輪節(jié)圓直徑，mm；

vmax——最大行走速度，m/min；

nmax——最快工作轉速，r/min。

齒輪齒數(shù)的計算按下式計算：

通過上式計算出齒輪齒數(shù)后進行圓整，取為整數(shù)，重新計算齒輪節(jié)圓直徑。

2.5 銷齒傳動的強度計算

2.5.1 接觸強度校核

齒輪的接觸強度根據(jù)上式校核，滿足上式設計滿足要求，否則需要重新設計。

2.5.2 彎曲強度校核

2.5.2.1 齒輪驗算

式中：σF1——輪齒計算彎曲應力，kg/mm2；

b——齒輪寬度，mm；

P——銷齒齒距或齒輪節(jié)距，mm；

[σF1]——材料許用彎曲應力，kg/mm2。

2.5.2.2 銷齒驗算

式中：σF2——銷齒計算彎曲應力，kg/mm2；

b——齒輪寬度，mm；

L——夾板間距，mm；

[σF2]——材料許用彎曲應力，kg/mm2。

2.5.3 夾板擠壓強度校核

式中：σpr——夾板擠壓強度，kg/mm2；

δ——銷輪夾板厚度，mm；

L——夾板間距，mm；

[σpr]——材料許用擠壓應力，kg/mm2。

3 行走機構液壓控制系統(tǒng)

3.1 操作機行走機構的性能特點

操作機的行走一般通過液壓馬達驅動銷齒輪在銷軸齒條上運動實現(xiàn)。根據(jù)自由鍛造工藝的特性，要求操作機行走具有以下特點：①液壓馬達可以正反轉，以實現(xiàn)大車的前進與后退；②液壓馬達轉速可以無級調節(jié)，以適應不同鍛造工藝要求；③液壓馬達快速啟動與精確制動，實現(xiàn)操作機的精確送進與平穩(wěn)運行；④系統(tǒng)具有過載保護功能，避免造成設備損壞。

3.2 行走機構液壓控制系統(tǒng)設計

本控制方案采用恒壓比例控制系統(tǒng)。由恒壓泵與蓄能器組成恒壓油源，采用比例方向閥進行控制。可以滿足操作機的正反向行走，并實現(xiàn)速度無級調節(jié)。保證啟動時馬達快速上壓、迅速運動；停止時通過調整比例閥關閉曲線，保證操作機精確停止、減少沖擊和振動。在操作機制動過程或因外力引起車體移動時，蓄能器和溢流閥共同作用吸收壓力沖擊防止系統(tǒng)過載，充液單向閥可防止馬達吸空，確保設備正常運行。中間隔離閥有效地解決了比例閥中位泄露的問題，確保操作機可靠定位。圖3 為行走機構液壓控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 行走機構液壓控制原理圖

3.3 行走無隙傳動系統(tǒng)的提出及控制原理

鍛造操作機行走時通過液壓馬達驅動的銷齒輪與銷軸齒條嚙合實現(xiàn)往復運動，在換向時銷齒輪與銷軸存在嚙合間隙，容易產生換向沖擊，并出現(xiàn)位置測量誤差，進而影響操作機運行的平穩(wěn)性和位置控制精度。對大型操作機而言，因其較大的運動質量產生巨大的慣性力，停止時沖擊大，制動距離長，位置控制精度低，嚴重時會影響鍛造生產的正常進行，鍛件質量也難以保證。

針對上述問題，為提高操作機行走位置控制精度提出了行走無隙傳動系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 行走無隙傳動系統(tǒng)

行走無隙傳動系統(tǒng)包括行走軌道、前銷齒輪、后銷齒輪、安裝在銷齒輪上的液壓馬達和檢測用光電編碼器等組成。由光電編碼器采集到的信號，通過計算機處理反饋到液壓比例控制系統(tǒng)，控制操作機行走動作。操作機兩組驅動裝置工作時機聯(lián)合又獨立，一個運動方向設定一個主驅動輪，相對的為從驅動輪；反向運動時主、從功能相互交換。根據(jù)系統(tǒng)設定，啟動時兩組驅動輪同向驅動。

4 應用實例及驗證

該行走機構已成功應用于多臺套系列規(guī)格的新型有軌鍛造操作機，動作迅速、運行平穩(wěn)、定位精確，性能可靠，極大地提高了鍛造操作機的設備性能。

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